DE19529574A1 - Koordinatenmeßgerät mit einer Steuerung, die den Tastkopf des Meßgeräts nach Solldaten verfährt - Google Patents

Description

Zur koordinatenmäßigen Vermessung von Werkstückoberflächen mit einem messenden Tastkopf, der diese im kontinuierlichen Kontakt im sogenannten "Scanning"-Verfahren abtastet, werden spezielle Steuerungen benötigt, die dafür sorgen, daß der Tastkopf auf der gewünschten Abtastbahn geführt wird. In der US-PS 4,769,763 ist eine Steuerung beschrieben, die das selbständige Abfahren unbekannter Werkstückkonturen erlaubt, indem der Absolutwert der Abtastgeschwindigkeit und die gewünschte Tasterauslenkung vorgegeben werden und aus der gemessenen Tasterauslenkung die tangential zur Werkstückoberfläche verlaufende Richtung der Abtastbewegung nachberechnet wird. Diese Steuerung arbeitet relativ langsam, da die Vorschubrichtung permanent aufs Neue aus den Signalen berechnet werden muß, die die Auslenkung des Taststifts beschreiben.

Aus der deutschen Patentschrift DE 42 12 455 C2 und der dazu korrespondierenden US-Patentschrift ist eine Steuerung bekannt, die den Tastkopf des Koordinatenmeßgeräts nach Solldaten auf einer vorgegebenen Bahn verfährt, die im wesentlichen der Sollgeometrie der zu vermessenden Werkstückoberfläche entspricht. Da hier davon ausgegangen wird, daß die abzufahrende Bahn bereits innerhalb des zulässigen Auslenkungsbereiches des Taststifts genau bekannt ist, kann die Werkstückoberfläche mit relativ hoher Geschwindigkeit abgefahren werden, was sich gegenüber dem eingangs genannten Stand der Technik in einer drastischen Verkürzung der Meßzeit äußert. Probleme treten jedoch dann auf, wenn die tatsächliche Werkstückgeometrie in einem Ausmaß von der Sollgeometrie abweicht, das größer als die zulässige Auslenkung des Taststifts ist. Zwar besitzt die bekannte Steuerung eine Einrichtung zur Korrektur der Bahn, wenn sich die Auslenkung des Taststifts im Zuge der Abtastbewegung den Grenzen ihres Meßbereichs nähert. Die Bahndaten werden in einem solchen Falle um einen konstanten Betrag von der Werkstückoberfläche weg versetzt. Hiermit lassen sich jedoch nur relativ "gutmütige" Abweichungen zwischen Soll- und Istgeometrie abfangen.

Es ist deshalb das Ziel der vorliegenden Erfindung eine Steuerung für Koordinatenmeßgeräte zu schaffen, mit der sich Werkstückoberflächen auch dann noch schnell abtasten lassen, wenn größere Abweichungen zwischen Soll- und Istgeometrie auftreten oder für den Fall, daß die Lage des Werkstücks vor der Messung nicht ganz exakt bestimmt worden ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß die Einrichtung zur Korrektur der Bahn ein mindestens zweistufiger Regler ist, wobei die erste Regelstufe auf ein der Auslenkung des beweglichen Taststifts proportionales Regelsignal arbeitet und die zweite Regelstufe aktiv wird, wenn die Auslenkung oder die auf das Werkstück wirkende Kraft einen vorbestimmten Betrag überschritten hat.

Die erfindungsgemäße Lösung vereinigt die Vorteile der beiden unterschiedlichen eingangs zum Stand der Technik genannten Steuerungen, indem sie nämlich sowohl relativ hohe Abtastgeschwindigkeiten erlaubt als auch größere Abweichungen zwischen der Soll- und der Istgeometrie toleriert. Erreicht wird das dadurch, daß zwar nach wie vor der Tastkopf entsprechend dem Solldaten auf einer vorgegebenen Bahn verfahren wird, gleichzeitig jedoch die Bahndaten während der Abtastbewegung entsprechend einer sich abzuzeichnen beginnenden Auslenkung des Taststift modifiziert werden.

Es ist zweckmäßig, wenn die Solldaten nicht nur aus Punkten bestehen, deren Koordinaten von der Steuerung angefahren werden, sondern auch vorgegebene Normalenvektoren beinhalten, die die Orientierung der Werkstückoberfläche beschreiben. In einem solchen Falle läßt sich die erste Regelstufe so ausrichten, daß nur die in Richtung des jeweiligen Normalenvektors auftretende Regelabweichung berücksichtigt und ausgeregelt wird. Das hat zur Folge, daß die Tastkugel beim Abfahren der vorgegebenen Bahn, wenn sie sich nicht in einem vorgegebenen Sollpunkt befindet, dann allenfalls eine Ablage in Richtung der Flächennormalen besitzt, d. h. die einzelnen Punkte der Folge der Solldaten werden in Normalenrichtung vor die tatsächliche Werkstückoberfläche verlagert, falls die Sollbahn einmal in die Werkstückoberfläche "hineinlaufen" sollte.

Die zweite Regelstufe regelt vorteilhaft die in Richtung der Tasterauslenkung auftretende Regelabweichung aus. Auf diese Weise können auch unverhofft vorstehende Kanten und Ecken umfahren werden, gegen die der Taststift andernfalls ohne Vorwarnung ungebremst fahren würde, was einer Kollision gleichkäme, bei der der Taststift abbricht.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Fig. 1-4 der beigefügten Zeichnungen.

Fig. 1a ist ein Blockschaltbild, das wesentliche Teile der Steuerung eines Koordinatenmeßgeräts zeigt, die nach der Erfindung arbeitet;

Fig. 1b ist eine ausführlichere Darstellung des Reglers (26) aus Fig. 1a;

Fig. 1c ist das Blockschaltbild einer alternativen Ausführungsform für den Regler (26) nach Fig. 1a und Fig. 1b;

Fig. 2 ist eine Skizze, in der die vorgegebene Abtastbahn und die reale Oberfläche eines Werkstücks während der Abtastbewegung durch den Taststift des Tastkopfes (2) aus Fig. 1 dargestellt sind;

Fig. 3 ist ein Schnitt durch eine Werkstückoberfläche in einer Ebene, die die Abtastbahn enthält und erläutert die Wirkungsweise der zweiten Regelstufe des Reglers nach Fig. 1b;

Fig. 4 ist ein Flußdiagramm, das die Arbeitsweise des Reglers (26) aus Fig. 1b verdeutlicht.

Die in Fig. 1 mit ihren wesentlichen Funktionsbaugruppen beschriebene Steuerung eines Koordinatenmeßgerätes ist über die Empfangsschnittstelle (10) und die Sendeschnittstelle (25) mit dem Auswerterechner (4) des hier nicht in allen Einzelheiten dargestellten Koordinatenmeßgerätes verbunden. Über die Eingangsschnittstelle (10) werden vom Rechner u. a. folgende Daten an die Steuerung übergeben:

• a) Die Transformationsmatrix T, die die Lage des Werkstückkoordinatensystems (WKS) im Maschinenkoordinatensystems (MKS) des Koordinatenmeßgeräts beschreibt;
• b) der Vektor , der die Ablage des Mittelpunkts der verwendeten Tastkugel im Maschinenkoordinatensystem von einem Bezugspunkt am Tastkopf (2) des Koordinatenmeßgeräts beschreibt;
• c) der Betrag der Meßkraft (Fsoll), die der Taster auf das Werkstück ausüben soll.

Außerdem werden über die Eingangsschnittstelle (10) die Informationen übergeben, die zur Beschreibung der von der Tastkugel abzufahrenden Sollkontur erforderlich sind. Das sind beispielsweise Punktefolgen Pi(x, y, z). Gleichzeitig können auch soweit vorhanden, die den einzelnen Punkten Pi(x, y, z) zugeordneten Normalenvektoren (Ni) auf die Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks (17) an dieser Stelle übergeben werden.

Das wichtigste Bauelement der Steuerung in Fig. 1 sind ein oder mehrere Mikroprozessoren. Demzufolge sind einige der in Fig. 1 gezeichneten Funktionsbaugruppen nicht in Hardware realisiert, sondern Teil der Firmware dieser Mikroprozessoren. Das gilt beispielsweise auch für die auf die Eingangsschnittstelle (10) folgende Funktionsbaugruppe (11) mit der Bezeichnung "Transformation Steuerdaten". Die Funktionsbaugruppe (11) berechnet aus den erhaltenen Informationen die Bahndaten, mit denen die Tastkugel (7) gegenüber dem Werkstück (17) verfahren wird. Diese Bahndaten (Si) werden durch eine Koordinatentransformation in das Steuersystem, d. h. das Maschinenkoordinatensystem (MKS) übertragen.

In der Funktionsbaugruppe (12) "Interpolation" werden im steuereigenen Systemtakt die aufbereiteten diskreten abzufahrenden Bahnpunkte (Si) nach einem vorgegebenen Algorithmus, beispielsweise linear oder nach einem Spline- Algorithmus interpoliert und Lagesollwerte (Li) an den nachgeordneten Lageregler (13) für die Antriebe der drei Meßachsen des Koordinatenmeßgerät übergeben.

Die im Lageregler (13) erzeugten Lagesollwerte werden anschließend analog gewandelt und als analoge Stellgrößen an die drei Antriebe (14) für die x-, y-, und z-Achse des Koordinatenmeßgerätes übergeben. Ebenfalls an den Lageregler (13) angeschlossen sind die mit (15) bezeichneten Wegmeßsysteme des Koordinatenmeßgeräts und zwar über die Funktionsbaugruppe "Meßwerterfassung" (16). Diese Baugruppe sorgt für eine zyklische Erfassung der Positionen des Tastkopfs (2) im Maschinenkoordinatensystem (MKS) und schließt den Positionsregelkreis für die drei Meßachsen des Koordinatenmeßgeräts.

Die Steuerung nach Fig. 1 enthält ebenfalls die Elektronik (18) zur Weiterverarbeitung der von den Meßwertgebern im Tastkopf (2) abgegebenen Signale, die das Auslenken des Taststifts beim Kontakt der Tastkugel (7) mit dem Werkstück (17) in den drei Raumrichtungen beschreiben. Die von diesen Meßwertgebern kommenden und in der Elektronik (18) aufbereiteten Lagesignale werden in der Funktionsbaugruppe (19) in Digitalwerte gewandelt. Diese digitalen Ausgangswerte (xT, yT, zT) sind ebenso wie die Koordinatenmeßwerte (xm, ym, zm) aus den Wegmeßeinrichtungen für die Meßschlitten des Gerätes auf die Sendeschnittstelle (25) gelegt und werden vom Rechner (4) zur Berechnung des Meßergebnisses benötigt.

Die Steuerung nach Fig. 1 enthält außerdem die Antriebe für die Auslenkung des Taststifts im Tastkopf (2). Diese bestehen aus Kraftgeneratoren wie z. B. Linearmotoren oder Tauchspulenmagnete. Die Antriebe lenken den Taststift auf ein vorgegebenes Signal hin in den drei Raumrichtungen (x, y, z) aus. Die entsprechende Funktionsgruppe (23) "Antriebe Tako" erhält die Information über Betrag und Richtung der einzustellenden Meßkraft - ebenfalls von der Funktionsbaugruppe (11), die diese Information aus der übergebenen Information über den Betrag der Meßkraft und aus den Normalenvektoren generiert. Im beschriebenen Falle wird die Richtung der Meßkraft (soll) stets in Richtung der Flächennormalen ( vorgegeben.

Weitere Informationen über die beschriebene Steuerung finden sich in der eingangs genannten DE-PS 42 12 455 sowie der US-PS der Anmelderin, auf die an dieser Stelle ausdrücklich Bezug genommen wird.

Mit der bis hier beschriebenen Steuerung lassen sich nur Werkstückoberflächen abfahren, die innerhalb des zulässigen Auslenkbereiches des Taststifts mit der vorgegebenen Sollgeometrie übereinstimmen, auf die sich die Bahndaten beziehen. Um diese Einschränkung zu beseitigen, ist ein Regler (26) vorgesehen, der das digitale, die Tasterauslenkung beschreibende Signal der Baugruppe (19) erhält. Dieser Regler (26) ist ebenfalls in die Firmware des Mikroprozessors der Steuerung integriert und arbeitet wie nachfolgend noch beschrieben wird.

Aus der detaillierteren Darstellung des Reglers (26) nach Fig. 1b geht hervor, daß dieser zweistufig aufgebaut ist. In der ersten Stufe (27) der Regelung wird das Signal der Funktionsbaugruppe (19) in ein Regelsignal gewandelt, das in Richtung der Flächennormalen (i) des nächsten anzufahrenden Stützpunktes (Si) zeigt. Dabei wird so vorgegangen, daß nur der in Richtung der Flächennormalen wirksame Anteil der Tasterauslenkung (Ai) verwendet und weiterverarbeitet wird und die davon abweichenden Komponenten gelöscht werden. Um diesen so berechneten Betrag wird nun der nächste anzufahrende Punkt (i) von der Werkstückoberfläche weg verlagert, d. h. die Koordinaten dieses Punktes werden in Richtung der Regelgröße (Si) verschoben. Eine Verschiebung erfahren auch alle weiteren die Sollbahn definierenden Punkte. Allerdings geht die Verschiebung nicht für alle Punkte in die gleiche Richtung. Vielmehr wird die Regelung für jeden Punkt immer nur in dem Umfange wirksam, den die Projektion der Tasterauslenkung (i) auf die Normalenrichtung (- des jeweiligen Punktes (i) -ergibt.

Dies ist anhand von Fig. 3 verdeutlicht. Dort ist die reale Werkstückoberfläche mit (17a) bezeichnet und die Sollbahn, auf der die Tastkugel entlanggeführt wird, mit (S). Diese Sollbahn ist beispielsweise als Spline interpoliert worden zwischen den Punkten (S1, S2, S3, S4 und S5), die vom Rechner (4) zusammen mit den zugehörigen Normalenvektoren (N1, N2, N3, N4, N5) an die Steuerung übergeben wurden. Nehmen wir an, für den Punkt (S1) ergäbe sich eine Tasterauslenkung in Richtung des Pfeils (A1), weil beispielsweise die Istgeometrie der Werkstückoberfläche (17a) nicht mit den Solldaten übereinstimmt. Dann werden die Punkte (S2-S5) in der beschriebenen Weise durch Projektion auf den jeweiligen Normalenvektor, d. h. in Meßkraftrichtung verschoben und in die Punkte (S2′-S5′) übergeführt. Der Versatz der Punkte entlang derer der Tastkopf im Zuge der Regelung gesteuert wird, erfolgt also immer senkrecht zur Werkstückoberfläche.

Ist der Werkstückfehler nicht in Richtung der angegebenen Flächennormale ausregelbar, weil z. B. die Antastrichtung in einem Inneneck infolge eines Form- oder Lagefehlers zu spät erkannt wird oder zu abrupt wechselt, tritt die zweite Stufe (28) der Regelung in Aktion. Diese zweite Stufe wird erst dann aktiv, wenn die Auslenkung (-i) einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, oder wenn die Kräfte, die sich senkrecht zur Antast- bzw. Normalenrichtung zwischen Taststift und Werkstück aufbauen, zu groß werden. Die erstere Möglichkeit ist in Fig. 1b skizziert. Dort wird in einem Komparator (29) verglichen, ob die von der Funktionsbaugruppe (19) gelieferte Information über die Tasterauslenkung (i) einen voreingestellten Schwellwert (30) überschreitet. Erst dann wird die zweite Stufe (28) der Regelung aktiv und bewirkt nun aber einen Versatz der Sollpunkte (Si) in Richtung der Tasterauslenkung (i) genauer gesagt in Richtung der Projektion der Tasterauslenkung (i) in die von dem momentanen Meßkraftvektor definierten Ebene (N┴), auf der dieser senkrecht steht. Der Sinn und Zweck dieser zweiten Regelstufe wird anhand von Fig. 4 deutlich. Das dort dargestellte Werkstück (17b) besitzt eine vorstehende Kante (18a), und die Punkte (S4 und S5) liegen hinter dieser Kante. Fährt nun der Taststift mit der Tastkugel (7) gegen diese Kante (18a), dann könnte die erste Regelstufe, die ja nur in Richtung der Flächennormalen z. B. des Punktes (S4) wirkt, diesen auf keinen Fall in Richtung auf die Werkstückoberfläche versetzen. Denn in dieser Situation ergibt sich plötzlich eine Tasterauslenkung senkrecht zur Meßkraftrichtung bzw. Normalenrichtung (N3). Trotz beginnender Auslenkung würde der Tastkopf also weiterfahren in Richtung auf den Punkt (S4) und der Taststift würde abbrechen.

Die zweite Regelstufe sorgt jedoch dafür, daß in einem solchen Falle dann, wenn die Taststiftauslenkung einen vorbestimmten Betrag überschritten hat, der Punkt (S4) dennoch in Richtung auf die Kante (18b) aus dem Werkstück "herausgeschoben" wird. Sobald die Koordinaten des Punktes (S4) dann mit denen der Tastkugel (7) übereinstimmen, wechselt die Fahrtrichtung, da die Tastkugel dann in Richtung auf den Punkt (S5) in Bewegung gesetzt wird, und versucht diesen zu erreichen. Hierbei tritt die erste Stufe der Regelung wieder in Kraft, da dann die Normalenvektoren (i), die gleichzeitig die Richtung der aufgeschalteten Meßkraft - angeben, auch tatsächlich wieder auf die Werkstückoberfläche zu zeigen. Auf diese Weise hat sich dann der Tastkopf freigefahren. Im Flußdiagramm nach Fig. 5 ist die vorstehend beschriebene Regelung nochmals übersichtlich dargestellt.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde als Kriterium für das Einsetzen der zweiten Regelstufe das Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts für die Tasterauslenkung angesetzt. Alternativ ist es natürlich auch möglich, das Verhältnis der vorgegebenen Antastkraft (Fsoll) zur tatsächlichen Kraft zwischen Tastkugel und Werkstück bzw. den senkrecht zur vorgegebenen Sollrichtung wirkenden Kraftkomponenten (F┴) als Kriterium für das Einsetzen der zweiten Regelstufe zu verwenden. Dieser Fall ist im Blockschaltbild nach Fig. 1c skizziert. Die tatsächlich auftretenden Meßkräfte (F┴) lassen sich beispielsweise über Meßwiderstände in den Stromkreisen der Tauchspulsysteme ermitteln, die die Antriebe (23) für die Auslenkung des Taststifts bilden.

Da der Regelvorgang der zweiten Regelstufe erst ab einem vorgegebenen Schwellwert aktiv wird und dann proportional der Kraft bzw. der Auslenkung die nächsten anzufahrenden Punkte in der Ebene verschiebt, auf der die Normalenvektoren der Punkte senkrecht stehen, ist das Freifahren aus der in Fig. 4 skizzierten Situation immer dann gewährleistet, wenn die Fahrgeschwindigkeit nicht zu hoch im Verhältnis zur Regelgeschwindigkeit ist. Bei der Vorgabe der Stützpunkte besteht daher die Notwendigkeit, diese entsprechend der zu erwartenden Fehler des Werkstücks mehr oder weniger eng zu legen, damit einerseits die Regelung ihre Funktion als Schutzmechanismus ausfüllen kann, andererseits jedoch die Fahrgeschwindigkeit nicht zu langsam und die Gesamtmeßzeit damit nicht zu groß wird.

Claims (7)

1. Koordinatenmeßgerät mit einer Steuerung, die den Tastkopf (2) des Koordinatenmeßgeräts nach Solldaten auf einer vorgegebenen Bahn verfährt, die im wesentlichen der Sollgeometrie der zu vermessenden Werkstückoberfläche (17) entspricht, und eine Einrichtung zur Korrektur der Bahn besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung ein mindestens zweistufiger Regler (26) ist, wobei die erste Regelstufe (27) auf ein der Auslenkung des beweglichen Taststifts (7) proportionales Regelsignal arbeitet und die zweite Regelstufe (28) nur dann aktiv wird, wenn die Auslenkung ( des Taststifts oder die auf das Werkstück (17) wirkende Kraft einen vorbestimmten Betrag erreicht hat.

2. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 1, wobei die Solldaten sowohl Punkte (Si) umfassen, deren Koordinaten von der Steuerung angefahren werden, als auch vorgegebene Normalenvektoren die die Orientierung der Werkstückoberfläche beschreiben, und daß die erste Regelstufe (27) nur die in Richtung des jeweiligen Normalenvektors ( auftretende Regelabweichung ausregelt.

3. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 2, wobei der Tastkopf (2) Meßkraftgeneratoren (23) enthält und die Steuerung die Meßkraft (F) vektoriell stets in Richtung des jeweiligen vorgegebenen Normalenvektors ( aufschaltet.

4. Koordinatenmeßgerät nach einem der Ansprüche 1-3, wobei die zweite Regelstufe (28) die in Richtung der Tasterauslenkung ( auftretende Regelabweichung ausregelt.

5. Koordinatenmeßgerät nach einem der Ansprüche 1-4, wobei die Regelung digital arbeitet derart, daß die Regelgröße des Reglers (26) die Lage von Punkten (Si) verschiebt, die die vom Tastkopf (2) abzufahrende Bahn beschreiben.

6. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 2 und 5, wobei die Verschiebung jedes Punktes (Si) im Zug der ersten Regelstufe (27) stets nur in Richtung des ihm zugeordneten Normalenvektors ( erfolgt und das Ausmaß der Verschiebung die Summe der auf diesem Vektor ( projizierten Regelabweichungen entspricht.

7. Koordinatenmeßgerät nach Anspruch 5 und 6, wobei die Verschiebung jedes Punktes (Si) im Zuge der zweiten Regelstufe stets nur senkrecht zum Normalenvektor des letzten abgefahrenen Punktes und zwar in Richtung der Projektion der Tasterauslenkung auf die vom Normalenvektor definierte Ebene (N┴) erfolgt.